Юный техник, 2013 № 05

А возможность точного подсчета квантов света открывает принципиальную возможность для создания квантовых компьютеров, которые, по идее, на десятки порядков будут превосходить лучшие нынешние вычислительные комплексы. Они за считаные мгновения смогут решать задачи, на которые современная вычислительная техника тратит недели, а то и месяцы рабочего времени.

Принципиальная схема квантового компьютера, работающего на цепочке холодных ионов, плененных в ловушке. Световые импульсы управляют логическими операциями между ионами, а чувствительная фотокамера детектирует свечение отдельных ионов и тем самым считывает результат операций.

Если Серж Арош научился манипулировать квантами света — фотонами, то не менее трудная с технической точки зрения задача управляться и с отдельными ионами — атомами, лишенными одного или нескольких электронов.

Здесь тоже используют ловушки, только уже не фотонные, а ионные. В них заряженные частицы удерживает переменное электромагнитное поле определенной формы. Такая технология была разработана полвека назад и принесла своим создателям, Вольфгангу Паулю и Хансу Демельту, Нобелевскую премию по физике за 1989 год.

При этом было замечено, что пленение и квантовый контроль отдельных ионов может иметь и далеко идущие практические применения. Например, их колебания позволяют создать сверхстабильный стандарт частоты, построить сверхточные атомные часы.

А такие часы, в свою очередь, позволили проверить экспериментально некоторые выводы теории относительности. Так, скажем, согласно теории, время течет по-разному в гравитационном поле разной напряженности. При удалении от поверхности Земли гравитационное поле начинает ослабевать, поэтому скорость хода часов, расположенных на разной высоте, будет отличаться. Так вот исследователям удалось заметить это расхождение при разнице высот меньше метра!

Дэвид Уайнленд пошел еще дальше. В его лаборатории проводились эксперименты по захвату ионов в «ловушку» из электрических полей. Чтобы полностью изолировать пойманные частицы от внешних влияний, эксперименты проводились в вакууме и при экстремально низкой температуре.

В итоге получился еще один эталон частоты, который опять-таки использован для создания сверхточных часов.

В отличие от цезиевых атомных часов (их погрешность 1 секунда в 300 лет), которые используют СВЧ-диапазон электромагнитных волн, часы Уайнленда работают в диапазоне видимого света. И точность их такова, что если бы с их помощью можно было начать отсчет времени в момент возникновения Вселенной, то сегодня они бы отстали или ушли вперед всего лишь на несколько секунд.

Дэвид Уайнленд является сотрудником американского Национального института стандартов и технологий, а также членом Американских физического и оптического обществ. Работы ученого открыли дорогу исследованиям Уильяма Филлипса, Стивена Чу, Клода Коэна-Таннуджи, а также Эрика Корнелла, Вольфганга Кеттерле и Карла Вимана — эти физики также стали нобелевскими лауреатами в 1997 и 2001 годах соответственно. Работы их непосредственно связаны с созданием атомных часов и прочих процессов, связанных с точным определением периодов времени.

А поскольку работы самого Уайнленда заложили основы технологии создания часов, роль «маятника» в которых играют атомы и ионы, то Нобелевский комитет, похоже, ныне решил восполнить упущенное, дав премию и самому отцу-основателю.

Тем более что оптические часы, к созданию которых он тоже имеет отношение, позволили создать микрочипы, способные обеспечить устойчивость армейского и навигационного оборудования к отключению системы навигации GPS.

До сих пор громоздкие атомные часы можно было установить лишь на крупных платформах — кораблях, самолетах. Однако для снаряжения пехотинца этот вариант не подходит. Поэтому и были созданы миниатюрные атомные часы объемом примерно 15 кубических сантиметров. Их уже можно интегрировать в носимое оружие, мобильный компьютер или управляемый боеприпас.

Теперь если даже спутниковая система GPS будет выведена из строя, оптические атомные часы смогут обеспечить синхронизацию времени в боевой тактической сети, позволят выявить ошибочную информацию, не сбиться с боевого курса.

* * *

…Тесная связь между разными разделами физики и их неожиданный выход на практические приложения — характерная черта современной науки. Разработанные лауреатами лабораторные методы позволяют измерять и целенаправленно изменять квантовые состояния частиц, что является первым шагом на пути к созданию сверхбыстрого компьютера нового типа на основе квантовой физики, отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета. Эти же методы открывают перспективу использования на практике компактных сверхточных часов, на два порядка превосходящих по точности цезиевые часы, дают возможность заложить основу нового стандарта измерения времени.

Публикацию по материалам Нобелевского комитета

подготовил С. НИКОЛАЕВ

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ

Шекспира записали на ДНК

Вообще-то исследователи давно присматриваются к ДНК как к носителю информации. Вдумайтесь только: в ядре каждой клетки организма есть крошечный фрагмент, который содержит информацию не только обо всем организме, но и хранит память поколений и даже программу развития организма. И это при том, что диаметр ядра клетки, где находится ДНК, составляет всего 6 тысячных миллиметра.

Теоретически грамм ДНК мог бы хранить 455 эксабайт информации. Один эксабайт, напомним, это 10¹⁸ байт. То есть на один грамм ДНК можно записать содержимое всех библиотек мира. При этом, как предполагают ученые, в отличие от цифровых магнитных и оптических носителей, информация, записанная в ДНК посредством химических связей, может храниться десятки тысяч лет, не требуя энергии. Нужно только научиться записывать в ДНК нужную нам информацию.

Как же тут действовать?

Фотография здания EBI, записанная и считанная с помощью ДНК.

В общем-то молекулярных биологов и нетрудно принять за химиков, поскольку они манипулируют с некими растворами в пробирках и колбочках.

Для начала специалисты научились расплетать туго скрученные спирали ДНК, чтобы изучить их строение.

Поскольку с двухметровой нитью ДНК работать невозможно, ее стали резать на фрагменты, затем научились менять состав и порядок расположения белков, которые, собственно, и несут информацию.

Доктор Ник Голдман держит в руках крошечную ампулу со всеми сонетами Шекспира, классической научной статьей, звуковым файлом и фотографией своего института, записанными на ДНК. Получается, что в аптечном пузырьке можно теперь разместить целую библиотеку.

Как уже сказано, все операции с ДНК проводят с помощью химических реакций. Для того чтобы разделить ДНК на фрагменты, например, используют метод «обрыва цепи», разработанный британским биохимиком Фредериком Сенгером в 1977 году, единственным в своем роде ученым, которому Нобелевская премия по химии доставалась дважды — в 1958 и в 1980 годах.